水下检测水压力装置设计

⑴ 水位监测装置有哪些

水位传感器是指能将被测点水位参量实时地转变为相应电量信号的仪器。其工作原理是：容器内的水位传感器，将感受到的水位信号传送到控制器，控制器内的计算机将实测的水位信号与设定信号进行比较，得出偏差，然后根据偏差的性质，向给水电动阀发出"开"和"关"的指令，保证容器达到设定水位。进水程序完成后，温控部份的计算机向供给热媒的电动阀发出"开"的指令，于是系统开始对容器内的水进行加热。到设定温度时。控制器才发出关阀的命令、切断热源，系统进入保温状态。程序编制过程中，确保系统在没有达到安全水位的情况下，控制热源的电动调节阀不开阀，从而避免了热量的损失与事故的发生。

中文名
水位传感器
外文名
Water level sensor
性质
科学
类别
物理
材质
不锈钢
快速
导航
应用

原理

耐高温问题
简介
传感器就是一种能够感受水温水位，并且将感受到的水温水位转变成变化的电信号的仪器。在太阳能热水器的发展史上，水温水位传感器一直起着举足轻重的作用，热水器的智能化、人性化都与水温水位传感器密不可分，水温水位测控仪更是离不开水温水位传感器，水温水位传感器工作稳定是对整个热水器智能控制的保障。水温水位传感器的从无到有，从简单到复杂，使用寿命的由短到长，都与太阳能专业人士的努力是分不开的[1] 。
应用
广泛用于水厂、炼油厂、化工厂、玻璃厂、污水处理厂、高楼供水系统、水库、河道、海洋等对供水池、配水池、水处理池、水井、水罐、水箱、油井、油罐、油池及对各种液体静态、动态液位的测量和控制。
举例说明投入式水位传感器在水位监测系统中的应用：

水位监测系统拓扑图

投入式水位传感器DATA-51系列
原理
容器内的水位传感器，将感受到的水位信号传送到控制器，控制器内的计算机将实测的水位信号与设定信号进行比较，得出偏差，然后根据偏差的性质，向给水电动阀发出"开"和"关"的指令，保证容器达到设定水位。进水程序完成后，温控部份的计算机向供给热媒的电动阀发出"开"的指令，于是系统开始对容器内的水进行加热。到设定温度时。控制器才发出关阀的命令、切断热源，系统进入保温状态。程序编制过程中，确保系统在没有达到安全水位的情况下，控制热源的电动调节阀不开阀，从而避免了热量的损失与事故的发生[2] 。
耐高温问题
传感器要长期工作在热水器水箱之中，因为真空管的得热量大，传给热水器水箱很多热量，使水箱温度能长时间达到100度左右，短时间能达到130度，甚至150度，这就对传感器带来了耐高温问题，从太阳能界用的第一个水温水位传感器一直到近期，传感器的材料在耐高温方面一直存在缺陷，在长期的空晒过程中、在长期的水煮过程中、在长期的汽蒸过程中，不管是电子器件还是其他的传感器材料都很容易老化、损坏。 
突破这一难题，必须使进入水箱的传感器部分能够耐高温，在科学快速发展的背景下，我国已经研制除了一种能够绝缘的、耐高温的抗高温聚丙烯材料，它能够在150度的环境中正常使用，短时间能耐170度高温，导电的电极部分使用优质不锈钢材料SUS316L，既能满足耐高温，又能满足耐腐蚀的要求；而不耐高温的电路部分，可以选取远离高温水箱的结构[3] 。
参考资料
[1] 冯保清, 姜海波, 沈言琍,等. 水位传感器在灌区的比选与应用[J]. 中国农村水利水电, 2005(7):104-105.
[2] 马福昌, 元江博, 马珺. 感应式数字水位传感器智能变送器设计[J]. 电子设计工程, 2011, 19(7):128-130.
[3] 安全, 范瑞琪. 常用水位传感器的比较和选择[J]. 水利信息化, 2014(3):52-54.

⑵ 末端试水装置的其他信息

为了表示清楚，设计规范在条文解释里列出了试水装置的图例(见图2-1)：试水装置由表前阀门、压力表、试水接头等组成。笔者认为设计规范图例有明显的不妥之处。笔者通过和几个压力表厂家联系沟通得知，厂家所生产的普通压力表、双面压力表、矩形压力表、膜片压力表等类型的表在正常情况下都只能测量静压。《常用小型仪表及特种阀门选用安装》图集（01SS105）给出了弹性压力表工作原理：“被测介质压力经仪表接头导入弹性元件使之自由端产生位移进而转换到刻度盘读数”，弹性元件一般和流速平行，因而无法把流速的动能转换到弹性元件上。而在施工时压力表取样管一般只焊接在管道上，没有迎着流体流向斜插到管道中心，所以实际测量时也只能是静压。那么此装置的表前阀门在打开之前阀后管内无水，表读数应该是零；而在打开后其静压值也接近为零，其推导过程如下：由伯诺利方程 z1+α1v12/2g+p1/ρg= z 2+α2v22/2g +p2/ρg +hι
式中 v -断面流速，m/s；
α -流速修正系数；
p/ρg-断面压头，m；
hι -两个断面间水头损失。
见图1，以0-0为基准面分别列Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ,Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ断面间的伯诺利方程如下：
z1+α1v12/2g+p1/ρg=z3+α3v32/2g +p3/ρg +hι3
由：z 1=H,
v1=0,
p1=p3=p0=0(相对压强),
z3=0,
所以：H=α3v32/2g+ hι3 （1）
z1+α1v12/2g+p1/ρg= z2+α2v22/2g +p2/ρg +hι2
由：z 1=H，
v1=0，
p1=p0=0(相对压强)，
z2=0，
所以：H=α2v22/2g+ p2/ρg + hl2 （2）
当表前阀门完全打开，Ⅱ，Ⅲ断面管径相同，由连续性方程得v2=v3，α2=α3.
由（1），（2）式得：压力表读数p2/ρg= hι3－ hι2（两断面间水头损失）。
笔者认为测量压力表后管道水头损失在工程上毫无意义，没必要为了此而安装一个压力表，那么用压力表来实现监控系统任务就落空了，所以笔者认为图2-1图示在这一点上设计的不太合理。
而《自动喷水灭火系统施工及验收规范》（GB50261-96，2003年版，以下简称“施工规范”）的图示中则在压力表后多设置了一个阀门(见图2-2)，试水操作人员可以在“准工作状态”下把表后阀门常闭，表前阀门常开，这样压力表可以随时显示管网末端的压力。解决了设计规范所给图例的弊端。但是，在设计规范和施工规范并没有明确规定压力表读数范围，《给水排水设计手册》(第二版，第二册)也没有给推算压力表读数计算公式。而很多设计资料把压力表的读数和0.05Mpa的静压力相互比较 ，认为压力表读数在大于上述压力时，此系统就能正常运行，而很多消防安装公司也是参照此标准
图1 管路图
The cutline of pipeline
进行调试，很显然这些做法都是错误的。因为当水流动的时候，在管路水头损失削减下, 0.05MPa静压力所剩无及，那么在试水接头所流出的水量也就远远达不到报警阀报警所需数值，这样的话此系统就有可能存在延误报警的
图2 三种末端试水装置示意图
Three kinds of cutlines about the equipment detecting end-point water
隐患。
为了解决以上问题，有的消防安装公司测试的时候，在末端加一个流量计，通过比较流量计读数和报警阀工作流量值，来判断系统运行是否正常。这种方法，笔者认为比较复杂。完全可以根据图2-2给出的图例，利用“准工作状态”下压力表的读数判断系统可靠性，来减少工作量，那么找出“准工作状态”下压力表合理读数就变的非常重要。正如上述，设计规范没有明确给定数值，只有通过设计人员来计算给定。在理解了工作压力和静压的区别后，这个问题就变的清楚了，笔者认为，设计人员只要算出在试水时末端之前管路总损失，然后加上规范规定的0.05Mpa压力值，得出的数据就是压力表最小读数。这样试水操作人员只要根据设计人员在计算书给出的数值来和压力表实际读数进行比较，就可以很清楚判断系统运行状况。
另外《全国民用建筑工程设计技术措施》（给水排水）也对末端试水装置进行图示（见图2-3）。笔者认为此图示也有明显缺陷：除了有上述设计规范图示的不足外，此装置给检修压力表带来不便。 末端试水装置在喷洒系统中起到了监测和检测作用，其重要意义不可忽视，因此喷洒设计和安装人员在这一环节上应该给与重视。由于喷洒灭火系统在中国还不是很普及，喷洒技术还不完善，所以笔者就大胆提出以上不成熟的看法，希望能对喷洒技术的发展起到积极的作用。

⑶ 预作用喷淋系统的末端试水装置

末端试水装置是设置在有联动要求的湿式、干—湿式及预作用系统上，用以检验系统可靠性的一种手动检验装置，尤其在湿式系统中，能通过试水观察压力表示值和水流是否稳定，通过压力表示值，校核试水口流量，经计算判断系统的启动流量是否符合要求。

由于目前国内暂时无成套的末端试水装置可供选购，设计规范和施工及验收规范又没有很明确的规定，设计人员往往根据GB50261—96.第5、4、8条“末端试水装置宜安装在系统管网末端或分区管网末端”和本条款条文说明“末端试水装置一般由连接管、压力表、控制阀及排水管组成，有条件的也可采用远传压力、流量测试装置和电磁阀组成，总的安装要求是操作简便，检测结果可靠”的要求，把末端试水装置设计成如图-1，而施工人员往往把排水管随意就近接入废水管或雨水管，笔者认为这样的做法有很多弊端。

其一，压力表不应装在阀门前面。虽然在未开启试水装置前可直现地看到管网中的水压力（静压）和确认管网中有水，但如果在报警阀与水流指示器之间设置了控制阀且控制阀未采用信号阀或被施工人员误装成普通控制阀的情况下，由于楼层面积较大，在分区管网的系统调试中只试验了最不利点管网的末端试水装置的联动控制，有可能造成有的分区控制阀未打开，误以为整个系统正常，在火灾发生时，不能得到喷淋水泵的供水而不能灭火。

其二，试验流量不准确。开启方试水装置进行系统试验时，不能模拟最不利点喷头的实际流量，造成试验时系统有效，但实际使用时，可能由于最不利点处的喷头开放后，实际流量达不到水流指示器或湿式报警阀的动作流量而不报警。

因为流量特性系数K=80的标准喷头在0.1Mpa工作压力下流量为80L/min，规范允许在最不利点处喷头的工作压力可以为0.05Mpa，根据公式：

q=K√10p

K—流量特性系统，标准喷头K=80

P—喷头处的水压（Mpa）

q—喷头的喷水量

最不利点喷头的喷水量q=K√10p≈57L/min，也就是说最不利的楼层或管网分区的水流指示器的动作流量为57L/min，这就是水流指示器的最小动作流量。但是为了安全和可靠，许多生产厂家把自己生产的水流指示器的最小动作流量指标定得比较低。按照《水流指示器的性能要求和试验方法》（GA32-92）标准规定水流指示器的灵敏度应满足当q≤15L/min时，不应报警；15L/min<q<37.5lmin时应该报警；q=37.l min时必须报警。报警的最大流量不应大于37.5l="" min。而规范又规定湿式报警阀当系统侧流量q≤15l="" min时不报警，由副阀向系统侧补充压力；当15l="" min<q≤60l="" min时，主阀板是处于开启或者似开非开失去密封的状态；信号管内已有水流通过，并进入延时器，只是延时器在90s内不报警而已；只有当系统侧以60l="" min的流量放水时，压力开关和水力报警才在5~90s内报警。

所以如图-1的设置，打开阀门试水时，流量很容易就大于水流指示器的动作流量或大于湿式报警阀的动作流量，但由于流量没有一个确定值，并不能说明当最不利点处口喷头开放时整个系统的可靠性。

第三，排水管安装不合理。试水装置的排水管不应直接接入排水立管或雨水管，而应该设有间接排水的漏斗和排水管，以便在放水时能直观地反映出水量。

通过多年的工作实践，笔者认为，末端试水装置应设置在系统中水力条件最为不利的喷头末端，它应由控制阀、压力表、试水口及排水装置组成（见图-2），试水口的K值应与该区域中最小喷头的K值相同，为了模拟一只喷头的开放，建议采用闭式喷头截去2个轭臂和溅水盘的方式来替代试水口。控制阀宜采用截止阀，具有调节流量的作用，而且密封面不易损伤。压力表应设在控制阀的下游，尽量靠近试水口，以便真实反映试水口喷水时的喷水压力，准确地计算出试水口的流量。试水口的出口不应连接排水管，必须以孔口出流的方式间接地排入排水管装置或排水明沟。

只有这样，才能使末端试水装置能模似一只喷头的流量放水，检验系统能否在最不利点处开放一只喷头时，使系统中的水流指示器、报警阀、压力开关、水力警铃都能正常动作，喷淋泵能及时启动，同时也表明了系统中任何一个喷头开放，系统都能可靠地联动运行。

⑷ 我想设计一个利用压力传感器测量水下深度的系统

首先你需要知道所测量的水深范围是多少，确定后只要知道水的密度，就可以换算出压力量程。选择合适量程及精度的压力传感器，最好选择4~20mA模拟信号输出的。把压力传感器固定在液面0处，随着水深的不同，压力传感器测量的压力也不一样，压力变送器输出的4~20mA电流信号也不一样，4mA对应着压力0（也就是液面0），20mA对应着压力最大值，4~20mA电流输出信号与页面高度成正比。
如果需要将电流信号输入计算机，则需要利用模块将电流信号转换成数字信号，这种模块市场上肯定有，但一个点的不知道有没有，随着点数得增加价格肯定会增加，但市场上的小模块最低多少点，多少钱一个我就不太清楚了。计算机上需要安装好上位软件，编一个小程序并做好一个简单画面。利用通信电缆把计算机与与模块连接起来，通讯正常就可以把数字信号实时上传到计算机上，随着页面的升降就可以在上位机上显示页面的高度。

⑸ 为了检测水库的水位，小明设计了利用电子秤显示水位的装置．该装置由长方体A和B、滑轮组、轻质杠杆CD、电

（1）水库底部受到水的压强：
p=ρ_水gh=1.0×10³kg/m³×10N/kg×20m=2.0×10⁵Pa；
（2）A受到的浮力：专
F_浮=ρ_水gV_排=1.0×10³kg/m³×10N/kg×0.03m³=300N；
（3）设每根细绳对动属滑轮的拉力为T，杠杆C端的拉力为F_C，B对杠杆D端的拉力为F_D，电子秤对B的支持力为N，则
3T=G_动+G_A-F_浮，即3T=30N+600N-300N，
解得：T=110N，
由相互作用力的条件可知，F_C=T，
由F_C×OC=F_D×OD可得：
F_D=

OC

OD

F_C=

1

2

×110N=55N，
则此时电子秤对B的支持力：
N=G_B-F_D=110N-55N=55N．
答：（1）水平底部受到水的压强为2.0×10⁵Pa；
（2）A受到的浮力为300N；
（3）此时电子秤对B的支持力为55N．

⑹ 小英设计了一个实验，验证水的内部压强和水深的关系，所用的装置如图所示，增加细管内的砂粒可以改变细管

根据压强的公式，P=

F

S

，F_浮=G=F，利用阿基米德原理可表示出浮力的大小专，F_浮=ρ_水gV_排，要得浮属力，就必须测出V_排，V_排=Sh，所以要使用刻度尺测细管的直径d和浸入水中的深度H；这样求出浮力，也就得出压力大小，然后就表示出了压强大小，进而得出结论．
故答案为：
（1）需要用的测量工具是直尺；需测量细管的直径D和细管沉入水中的深度H₁，H₂．
（2）实验步骤：①测出细管的直径D；②在细管中加入少量砂粒，将细管放入盛有水的容器中，平衡后用直尺测出细管沉入水中的深度H₁；③增加细管中的砂粒，再将细管放入盛有水的容器中，平衡后用直尺测出细管沉入水中的深度H₂．
（3）导出计算压强的公式．平衡时，细管（含砂粒）所受重力G_管与所受浮力F_浮相等，
即G_管=F_浮，又G_管=p₁S=p1π(

D

2

)2，F_浮=V₁ρ_水g=π(

D

2

)2H1ρg；故得：p₁=H₁ρ_水g
（4）同样可证p₂=H₂ρ_水g；所以

p2

p1

＝

H2

H1

，说明水的内部压强与水深是成正比的．

⑺ [测试技术动态压力传感器设计]微型动态压力传感器

测 试 技 术

传感器设计（动态压力）

设计作品名称：电团岩子式水流压力传感器 作品设计人员：王思云（[1**********]）王剑峰（[1**********]）

组员：王世斌（[1**********]）余光林（[1**********]） 王泽青（[1**********]）

课程名称：测试技术

学院：机械与交通学院

专业：交通运输

设计时间：2013年11月26日-2013年12月1日

电子式水流压力传感器的设计

有关压力传感器简介—带或耐—压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压电传感器。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。诸如空气流动压力，液体流动压力，接下来我们设计的动态压力传感器就是利用水流压力来测量各种数据的传感器——水流压力传感器

目 录

绪论......................................................................................

1.1 背景....................................................................................................

1.2 应用实例..........................................................................................

原理分析..............................................................................

2.1 工作原理...........................................................................................

实现过程..............................................................................

3.1 电路图设计.......................................................................................

3.2 电路仿真...........................................................................................

心得体会 ...............................................................................

绪 论

1.1 背景

水流压力传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸蠢春钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小，压电系数比较低，所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

这种压电电阻效应是由于应力的作用，引起导体与价电子带能量状态的变化，以及载流子数量与迁移率变化所产生的一种现象。日本从1970年开始研究开发，首先应用在血压计上，之后在过程控制领域及轿车发动机控制部分都获得了广泛的应用。最近几年在家用电器、家用水表、等应用领域普遍采用电子压力传感器作为压力控制、流量监控的效果。

图1 电子压力传感器模型

1.2 应用实例

图2 水流压力传感器在全自动洗衣机中的应用

图3 水流压力传感器结构图

图4 水流压力传感器在水表中的应用 测量流量

图2是水流压力传感器在全自动洗衣机中的应用实例。如图所示，利用气室，将在不同水位情况下水压的变化，作为空气压力的变化检测出来，从而可以在设定的水位上自动停止向洗衣机注水。图3是水流压力传感器在水表当中的应用实例，利用管道当中的水流压力压迫管壁上的流量传感器，将压力信号转换成数字信号显示在水表上。

第2章 原理分析

2.1 工作原理

图1为PS水流压力传感器的截面结构图，图2为其传感器部分的结构。如图所示，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。受到应变的部分，即膜片由于容易感压而变薄，为了减缓来自传感器底座应力的影响，将压力传感器片安装在玻璃基座上。

如图2，图3所示，当向空腔部分加上一定的压力时，膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。压电电阻的排列方法如图3所示，受到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加；受到压缩的电阻R1和R3阻值减小。图4由于各压电电阻如图4那样组成桥路结构，如果将它们连接到恒流源上，则由于压力的增减，将在输出端获得输出电压ΔV，当压力为零时的ΔV等于偏置电压Voffset,在理想状态下我们希望Voffset=0V，实际上在生成扩散电阻体时，由于所形成的扩散电阻体尺寸大小的不同和存在杂质浓度的微小差异，因此总是有某个电压值存在。压力为零时，R1=R2=R3=R4=R，我们把加上一定压力时R1、R2电阻的变化部分记作ΔR；相应R3、R4电阻的变化部分记作-ΔR，于是ΔV=ΔRI 。这个ΔV相对压力呈现几乎完全线性的特性，只是随着温度的变化而有所改变。

第3章 实现过程

3.1 电路图设计

图5是PS压水流压力传感器的外围电路设计实例，图中用恒流源来驱动压力传感器。

图5 水流压力传感器设计电路

由于桥路失衡时的输出电压比较小，所以必须用运放IC1b和IC1C来进行放大。图中VR1为偏置调整，VR2为压力灵敏度调整，VR3为没有加压时输出电压调整，C1、C2用于去除噪声。另外，如果电源电压波动的话，将引起输出电压的变化，所以必须给电路提供一个稳定的电源。

3.2 电路仿真

心得体会

测试技术（传感器技术）是一门理论性和实践性都很强的专业基础课，也是一门综合性的技术基础学科，它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识，同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量（如力、振动、噪声、压力和温度等）的测定，以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。在做此次设计前，我把老师所讲的测试技术教材通读了一遍，对测试技术有了一定得了解。因为在这之前，没有接触过类似的课程设计，所以这次实验，我们感觉有些困难。 传感技术是一门综合性的课程知识，想做好这次实验，必须要有较好的理论知识，例如：电路，模电，还有画图时，也要用软件画图multisim仿真软件的使用。只有熟悉了这些们课程才能真正的完成这次实验。首先，是电路图的设计，要明白传感器的原理及在电路中的作用是什么。虽然最终设计出的电路图不是很复杂，但是也是几经周折。其次，是在multisim中连接电路元件，让我们进一步得熟悉了这个软件的功能，并能运用自如。最后，是电路的仿真，可以说是最关键的一部了，前面所有的工作都是在为它打基础，一旦仿真失败就意味着所有得努力可能全部白费。仿真的结果虽然显示出数字来了，但是和是要得要求相差很远。因此，就一次一次的调试，改变电阻的阻值，以及滑动变阻器的阻值，最终把结果调试出来了。

通过这次传感器的设计,使我们学到了不少实用的知识,更重

要的是,做设计的过程,思考问题的方法,这与做其他的设计是通用的,真正使我们受益匪浅.在这次设计的过程中我们要培养自己的独立分析问题，和解决问题的能力。在调试电路图的过程中，要自己学会思考。最后，通过这次设计我们不但对理论知识有了更加深刻的理解，更加增强了我们的综合能力，希望以后能多有这样的作业，使我们能把所学的专业知识实践运用。使我们整体对各个方面都得到了不少的提高让我们得到更好的锻炼。